能源植物柳枝稷抗逆性研究進展

楊淞惠+黃萍+楊冉+祁珊珊+李欣欣+杜道林

摘要：柳枝稷（Panicum virgatum L.）作為一種纖維素轉化乙醇的模式能源植物，因其適應性強，生長速度快，生物量增長潛力大和對環境友好而受到國內外學者的重視，成為當前研究的熱點。對國內外關于柳枝稷在鹽脅迫、干旱脅迫、營養脅迫及高溫脅迫等多種逆境條件下生理生化及分子方面響應的研究進行了概述，以期為今后更好地開發利用柳枝稷提供理論依據。

關鍵詞：柳枝稷（Panicum virgatum L.）；能源植物；適應性；抗逆性

中圖分類號：S216.2；Q945.78 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2014）19-4513-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2014.19.001

Advances in Stress Tolerance of Switchgrass

YANG Song-hui1， HUANG Ping1，2，YANG Ran1，QI Shan-shan1，LI Xin-xin1，DU Dao-lin1，2

（1.Environmental and Safety Engineering Institute， Jiangsu University， Zhenjiang 212013， Jiangsu， China；

2.Agricultural Academy of Engineering， Jiangsu University， Zhenjiang 212013， Jiangsu， China）

Abstract： Switchgrass（Panicum virgatum L.） is a model crop for converting cellulose into ethanol. Due to its broad adaptability， rapid growth， high biomass potential and eco-friendly habit， switchgrass attracts more attention of scholars at home and aboard. The advances in physiological， biochemical and molecular aspects of the switchgrass responsing to stress of salinity， drought， nitrition-defeciency and heat were reviewed. It will provide a reference for the future studies on switchgrass.

Key words： switchgrass（Panicum virgatum L.）； energy crop； broad adaptability； stress tolerance

柳枝稷（Panicum virgatum L.）屬于禾本科（Gramineae）黍屬（Panicum），是起源于北美洛基山脈以東、北緯55 ℃以南大草原的高稈多年生草本C4植物。因其富含纖維素，通常被用于放牧、生態建設以及生產乙醇等。由于柳枝稷具有適應性強，生長速度快，生物量潛力大，對環境友好等多種優點，美國率先把它作為一種模式能源植物進行系統研究，隨后引發了生物質能源研究領域的熱潮。能源植物對逆境環境的適應性一直是科學家們關注的熱點，這些特征直接決定了能源植物可投放的領域及分布范圍。因此，研究能源植物對逆境的生理生化及分子響應規律變得尤為重要。Louis等[1]將低地生態型柳枝稷分別種植在高、低營養土地上，經過連續3年的培育，最終發現在貧瘠土地上有助于C0代的篩選，而肥沃土地上則有助于C1代的篩選。Hendrickson等[2]研究了柳枝稷、紫花苜蓿和小麥草在缺水季節對水分的綜合利用率，發現柳枝稷高于另外兩種植物，同時發現土壤水分虧缺不利于柳枝稷在連續干旱的季節中存活。

本文綜述了柳枝稷對鹽分、干旱、營養及高溫脅迫等多種逆境條件下的生理生化及分子方面的響應研究，分析并比較了國內外的最新研究進展，以期為今后的研究提供參考。

1 柳枝稷對鹽脅迫的耐性

中國從濱海到內陸，從低地到高原分布著不同類型的鹽堿土壤，嚴重制約了中國農業的發展。柳枝稷可用于水土保持和植物修復[3]，利用鹽堿地土壤進行柳枝稷的栽培和推廣，不僅能夠充分利用土地資源，而且能篩選出耐鹽堿柳枝稷品種，可獲得巨大的生態效益和經濟效益[4]。分析柳枝稷種子和幼苗的耐鹽性水平，能為柳枝稷的引種、育種工作提供參考。于曉丹等[5]選用0.4%、0.8%、1.2%、1.6%、2.0%的NaCl混合鹽和Na2SO4混合鹽溶液處理柳枝稷種子，結果表明，鹽溶液含量越高，發芽率越低，因此建議在引種栽培過程中NaCl的含量應不高于1.2%。趙春[4]用單鹽NaCl和混合鹽溶液處理柳枝稷種子和幼苗，通過測定種子發芽率、幼苗活力、株高等指標發現NaCl單鹽脅迫對柳枝稷種子發芽影響較大，但低濃度（3、6、9 g/L）混合鹽溶液可以加速柳枝稷種子的萌發。杜菲等[6]選取了Blackwell、Cave-In-Rock、Sunburst、KY1625、Pathfinder 5個品種的柳枝稷，使用不同濃度的NaCl溶液處理后，測定種子發芽率、幼苗株高、鮮重等的變化，對比發現Cave-In-Rock、Sunburst、Pathfinder耐鹽性較強。這些結果界定了不同品種柳枝稷的耐鹽能力，為柳枝稷的引種、育種工作提供了參考。

除此之外，近年來有學者研究了柳枝稷應對鹽脅迫的分子機制。Sun等[7]以1/2 MS培養基為基礎培養基，設置4個鹽含量梯度（0.10%、0.25%、0.50%、1.00%）對Alamo品種柳枝稷種子和幼苗進行耐鹽試驗，通過RNA提取和實時定量PCR分析了在不同鹽含量處理下12個miRNAs的表達差異，結果發現miR157是0.25%鹽含量脅迫處理下變化最大的，其他11個miRNAs的表達差異相對較小，這為柳枝稷耐鹽品種的選育提供了分子理論依據。而Wang等[8]同樣以Alamo品種柳枝稷為研究對象，在每千克干土中分別添加了1、3、5、10、15 g NaCl，測定了不同濃度處理下葉和根中APX、GSH、MDA、CAT、SOD、POD的含量，以此為基礎建立了柳枝稷在鹽脅迫下葉和根的響應模型。

2 柳枝稷對干旱脅迫的抗性

缺水對植物的生長有著極其重要的影響，也是限制柳枝稷生長的重要因素之一[9]。干旱逆境脅迫可導致大部分植物各種代謝無序進行，這些影響不僅表現在植物生長發育的各個階段，還會在一定程度上影響多年生植物下一年的生長發育[10，11]。近年來，關于柳枝稷干旱脅迫研究引起國內外學者越來越多的關注。楊新國等[12]在研究中因地制宜，針對在半干旱黃土丘陵地區引進柳枝稷作為能源植物生產的開發潛力及約束機制進行試驗分析，結果表明，農田尺度晚熟柳枝稷盡管在雨熱同步期的資源利用效率上存在明顯優勢，但在降水資源分配策略上，早熟柳枝稷表現出綜合的生態適宜性優勢。干旱脅迫導致柳枝稷作物減產，主要是通過降低氣孔導度和抑制葉綠素光合作用來實現的。鄭敏娜等[13]利用透射電鏡技術研究了柳枝稷葉肉細胞葉綠體和線粒體超微結構在水分脅迫條件下的變化，并測定了與生長過程有緊密聯系的葉綠素含量和光合速率等指標，分析了其主要生理功能對水分脅迫的響應。結果表明，經8 d水分脅迫后，葉綠體和線粒體的結構均發生了不同程度的變化，且線粒體對水分脅迫的耐受性強于葉綠體，光合速率的高低與葉綠體的結構變化相關。這些研究為柳枝稷耐旱品種的選擇、引進和選育提供了形態學和生理學依據。Sun等[7]在對Alamo品種柳枝稷種子和幼苗的耐鹽耐旱研究中發現，12個miRNAs中，miR156和miR162在干旱脅迫中有明顯的表達差異。為了比較不同品種柳枝稷對干旱脅迫響應的差異，Stroup等[14]在研究比較了低地生態型（Alamo和Kanlow）和高地生態型（Blackwell和Caddo）的柳枝稷在相同缺水條件下的不同響應，最終結果表明低地生態型的生物產量更高而高地生態型卻對干旱脅迫的響應更小。這些研究為柳枝稷耐旱品種的選擇、引進和選育提供了形態學和生理學依據。

3 柳枝稷對營養脅迫的適應性

柳枝稷屬于非糧能源作物，在邊際土地上對其進行開發利用與規模化種植不僅可以合理化利用土地資源，而且能有效解決當前生物質能源產業原料不足的問題[15]。范希峰等[16]在2010年通過對比華北地區3種貧瘠沙化的邊際土地和3種移栽方式對柳枝稷Alamo品種幼苗的影響，得出柳枝稷能在我國華北地區穩定存活，并可根據移栽的距離選擇不同的移栽方式進行種植的結論。針對沙化土地中缺少營養的狀況，侯新村等[17]以沙土為基質，以Alamo品種柳枝稷幼苗為研究對象，采用三因素四水平的處理方法，探索了不同配比的氮磷鉀肥料對于柳枝稷幼苗的影響。并在此基礎上建立了柳枝稷苗期總生物量與氮磷鉀之間的三元二次回歸關系，得出了在沙土盆栽條件下，柳枝稷苗期最高生物量所需的最適氮素濃度為115.1 mg/kg，為柳枝稷在我國沙化土地上規模化種植提供了肥料效應方面的科學數據。

雖然柳枝稷對貧瘠土壤具有較強的適應性，但不同品種間也存在差異。Stroup等[14]對比了兩種生態型4個柳枝稷品種發現，低地生態型中的Alamo在低營養處理下具有生物量高于Kanlow、Blackwell和Caddo 3個品種的現象。朱毅等[18]選取了包括Alamo、Kanlow、Blackwell等在內的13個品種，用Hoagland缺氮營養液進行培養，最終通過標準差系數賦予權重法對不同品種柳枝稷苗期氮素脅迫的耐受性進行了綜合評價，得出各種品種耐缺氮脅迫性由高到低依次為：BJ-4、BJ-3、Forestburg、Pathfinder、BJ-5、Blackwell、BJ-2、Kanlow、Alamo、Cave-In-Rock、BJ-1、Trailblazer、BJ-6，為柳枝稷在貧瘠土地的推廣和應用提供了理論依據。

4 柳枝稷對高溫脅迫的耐性

柳枝稷作為C4植物，與C3植物相比，具有對生長溫度要求較高的特點。早在1985年就有學者研究發現柳枝稷生長的最適溫度為30 ℃[19]，經抗寒鍛煉后可以忍受-22～-19 ℃的低溫[20]。對柳枝稷種子進行不同溫度（4～16 ℃）的濕潤冷凍處理，打破種子休眠，可以大幅度提高萌發率。而較高溫度的干熱處理則會對種子造成傷害，致使發芽率降低甚至將種子殺死[21]。由此可見，高溫是柳枝稷種子萌發及生長的一個限制條件。雖然這方面的研究還不多，但在當前溫室效應日趨嚴重的情況下，研究仍取得了一定進展。Brown等[22]模擬美國密蘇里州-愛荷華州-內布拉斯加州-堪薩斯州的氣候環境，對比柳枝稷和傳統作物大豆、高粱、冬小麥之間的產量發現，柳枝稷在溫度升高3～8 ℃時收獲的生物量遠大于其他作物。而Li等[23]通過RT-PCR、基因本體論等分子生物學技術從分子角度分析了柳枝稷Alamo品種在38 ℃高溫脅迫下5 365個基因的響應情況，最終得到了在柳枝稷、大米、小麥、玉米中均有響應的16個基因，為研究柳枝稷高溫脅迫下的響應機制和耐高溫基因的遺傳轉化提供了參考。

5 討論

柳枝稷具有較好的耐鹽、耐旱、耐貧瘠等特性，但在一些環境相對惡劣的土地上，由于水、營養等綜合因素的影響，導致其失去了原有的優勢[24]。因此，為了提高柳枝稷應用的范圍和普適性，對于柳枝稷抗逆性的研究不僅需要其表型的響應數據，更需要深入地研究其生理及分子方面的應對機制。同時，影響因子的交互作用也是在研究過程中需要考慮的因素。Shen等[25]研究柳枝稷細胞壁基因NAC的表達規律，嘗試通過調控NAC基因的表達來提高細胞壁的厚度以增加柳枝稷的環境耐受性。Ghimire等[26]通過研究發現柳枝稷的內生真菌至少有18個分類群，高豐度高多樣性的內生真菌有利于提高柳枝稷的產量和環境耐受性。這些研究為柳枝稷抗逆品種的開發提供了新的研究思路。隨著現代基因工程等生物技術的快速發展，對柳枝稷抗逆性的研究已逐漸深入到分子水平，有關分子層面的機理還需進一步研究，這些都將為篩選柳枝稷抗逆新品種提供有效的科學依據。

參考文獻：